بخشی از مقاله
چکیده -
استفاده از سامانه زمینپایه لورن برای ناوبری، به دلیل مقام بودن این سامانه در برابر جمینگ و قابلت نفوذ به مکانهای مسقف و درهها اخیرا بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. منابع مختلف خطا که از جمله مهمترین آنها تداخل موج پیوسته - CWI - ، تداخل نرخ متقابل - CRI - و تداخل ناشی از امواج آسمانی است، باعث خطا در ردیابی فاز سیگنال در سامانه لورن میشوند. خطا در ردیابی فاز سیگنال، باعث ایجاد خطا در اندازهگیری زمان ورود - - TOA و در نهایت کاهش دقت ناوبری در سامانه لورن است.
در این مقاله به بررسی این منابع خطا پرداخته شده و راهکارهایی برای حذف یا کاهش اثر هر یک ارایه شده است. نتایج نشان میدهند که الگوریتمهای ارایه شده برای حذف هر یک از این تداخلها بسیار موثر بوده و اثر تداخل را در تخمین موقعیت از بین میبرند. با توجه به نتایج شبیهسازیهای انجام شده، با استفاده از الگوریتمهای ارایه شده برای حذف هر یک از این منابع تداخل، اثر منابع ایجاد خطا و کاهش دقت ناوبری در این سامانه بهطور کامل از بین رفته است.
-1 مقدمه
سامانه لورنC1 یک سیستم رادیوناوبری زمینپایه است که در طیف فرکانس رادیویی 90 تا 110 کیلوهرتز عمل میکند.[1] این سامانه انتشار امواج زمینی را به عنوان ابزار اصلی ارسال به کار میبرد و به بازه دید مستقیم 2 - LOS - برای کاربران محدود نمیشود 2]؛.[4 از مزایای لورن C میتوان به استفاده این سیستم از سیگنالهای ارسالی بسیار قوی که اختلال بر روی آنها دشوار است اشاره کرد. همچنین این سیستم میتواند به عنوان یک پشتیبان مستقل سیستم موقعیتیاب جهانی عمل کند4]؛.[5 استفاده از سامانه زمین پایه لورن در ناوبری، بهدلیل مصونیت در مقابل جمینگ و امکان بهبود کارآیی آن با استفاده از سخت افزارها و الگوریتمهای پردازشی جدید، اخیرا بیشتر مورد توجه قرار گرفته است
با توجه به اهمیت موضوع تداخل در سامانه لورن C، بحث حذف آن بهمنظور افزایش دقت مکانیابی از اهمیت ویژهای برخوردار است. مهمترین منابع تداخل که باعث خطا در سامانه لورن میگردند عبارتند از تداخل موج پیوسته 3 - ، تداخل ناشی از رویهم افتادگی پالسهای CWI دریافتی از دو زنجیره متفاوت لورن - 4 - و تداخل ناشی از CRI امواج آسمانی.CWI 5 باعث خطا در ردیابی فاز سیگنال شده، که این عامل باعث خطا در اندازهگیری زمان ورود - TOA6 - و در نهایت کاهش دقت ناوبری است
همچنین ممکن است سبب گزینش چرخهی نادرست شود که در این صورت منجر به حداقل 10 میکرو ثانیه خطای زمانبندی در اندازهگیری TOA میشود
تداخل CRI در سامانه لورن زمانی رخ می-دهد که سیگنالهای یک زنجیره - زنجیره موردنظر - با فاصله تکرار گروه - GRI1 - 7 با سیگنالهای زنجیره دیگر با GRI2 با یکدیگر انطباق زمانی پیدا میکنند
استخراج اطلاعات مربوط به تعیین موقعیت از اندازهگیریهای زمان ورود - TOA - که تحت تأثیر تداخل نرخ متقابل قرار گرفتهاند، باعث کاهش دقت ناوبری و افزایش چشمگیر زمان دریافت کلی - زمانهای انتخاب چرخه و زمان جستجو - در سامانه لورن میگردد .
در باند LF امواج به دو طریق یعنی امواج آسمانی - منعکس از لایه یونیسفر - و امواج زمینی انتشار مییابند.[1] از آنجا که زمان دریافت امواج آسمانی تابعی از ارتفاع یونیسفر بوده که این ارتفاع به طور دائم تغییر مینماید، بنابراین نمیتوان از امواج آسمانی برای تعیین دقیق موقعیت استفاده کرد .[26] امواج آسمانی به عنوان یک عامل تداخل عمل مینماید و باعث کاهش دقت ناوبری میگردد.
در این مقاله به بررسی انواع تداخلها که باعث تخریب ناوبری در سامانه لورن میشوند پرداخته شده و راهکارهایی برای حذف یا کاهش اثر هر یک ارایه شده است.
در ادامه ابتدا در بخش 2 بهطور مختصر به معرفی سامانه زمین پایه لورن پرداخته شده است. در بخش 3، یک سامانه برای حذف CWI در گیرنده لورن C با بهکارگیری الگوریتم تطبیقی طراحی و با استفاده از الگوریتم NLMS انجام شده است. در بخش4، تاثیر تداخل CRI بر روی سامانه لورن بررسی شده و یک فیلتر ترکیبی بهمنظور حذف این تداخل ارایه شده است. در بخش 5 به معرفی تداخل ناشی از امواج آسمانی پرداخته شده و نحوه مقابله با آن تشریح شده است. در بخش 6 از الگوریتمهای تخمین فرکانس - - TOA برای بهدست آوردن تأخیر امواج آسمانی استفاده شده است. در نهایت نتایج حاصل از شبیهسازی آورده شده و نتیجهگیری از تحلیلهای صورت گرفته انجام شده است.
-2 معرفی سامانه ناوبری لورن
سامانه لورن شامل یک زنجیره متشکل ازحداقل 3 فرستنده است. فرستندهها چند صد مایل از یکدیگر فاصله دارند.[3] در زنجیره لورن، یک فرستنده بهعنوان ایستگاه اصلی با علامت - Master - M و بقیه فرستندهها به عنوان ایستگاههای ثانویه و با Y و - Zulu - Z مشخص میشوند.
ایستگاه اصلی و ایستگاه-های ثانویه پالسهای رادیویی را در فواصل زمانی مشخص ارسال مینمایند. یک گیرنده لورن C، اختلاف زمان ورود بین پالسهای دریافتی از جفت ایستگاهها را اندازهگیری میکند.[1] اندازهگیری اختلاف زمانی، گیرنده را در امتداد یک خط مکانیاب هذلولوی قرار میدهد. فصل مشترک دو یا چند خط مکانیاب هذلولوی که توسط دو یا چند اندازهگیری اختلاف زمانی ایجاد میشود، مکان گیرنده را تعریف میکند
هر رشته از سیگنالهای ارسالی شامل یک گروه پالس ارسالی از ایستگاه اصلی M و گروههای پالس ارسالی از فرستنده-های ثانویه است. پالسها در فواصل زمانی مشخص ارسال می-شوند. سیگنال ارسالی از فرستنده اصلی دارای 9 پالس 8 - پالس با فاصله 1000 sec و آخری با فاصله - 2000 sec است
ایستگاههای ثانویه فقط 8 پالس ارسال مینمایند. این پالسها با فاصله زمانی 1000 sec از یکدیگر قرار دارند. این اختلاف در تعداد پالسها و دیگر مشخصات سیگنال باعث میشود تا گیرنده لورن سیگنالهای دریافتی از ایستگاههای اصلی و ثانویه را از یکدیگر تشخیص دهند. فاصله زمانی بین ارسال موفق گروه پالسها توسط ایستگاه اصلی، فاصله تکرار گروه - GRI - نامیده میشود. GRI بر حسب میکروثانیه بیان میشود. مشخصه GRI برابر با مقدار GRI تقسیم بر 10 است و بهعنوان علامتی برای مشخص کردن زنجیره لورن بهکار میرود.
در داخل هر گروه پالسی، هر پالس با یک فاز حامل که صفر درجه - کد فاز مثبت - و یا 180 درجه - کدفاز منفی - است، ارسال میشود. سیگنالهای لورن با یک دنباله کد فاز ثابتی ارسال میشوند که در طول دو گروه پالس متوالی امتداد دارد و سپس تکرار میشود.[4] این روش بهعنوان کدینگ فاز شناخته میشود. بهعبارت دیگر سیگنال لورن، متناوب با دوره تناوب دو برابر بازه تکرار گروهی است. این دوره تناوب بازه کدینگ فاز نامیده میشود. این الگوی کد فاز برای فرستندههای اصلی و ثانویه متفاوت است.
-3 ارایه الگوریتم حذف تداخل موج پیوسته
CWI میتواند زمان تقاطع صفر مورد اندازهگیری را تغییر دهد، این خطای زمانی تابعی از نسبت سیگنال به تداخل - SIR - و فاز عامل تداخلی مربوط به آن چرخه از لورن C میباشد. در این قسمت به ارائه یک روش جدید برای حذف تداخل موج پیوسته در گیرنده سامانه لورن با استفاده از الگوریتم تطبیقی خطی پرداخته شده است. بزرگترین مزیت این روش پیشنهادی عدم نیاز به شناخت فرکانسهای تداخلی و توزیع فرکانسی سیگنالهای تداخلی است. نتیجه، یک سامانه است که بهصورت خودکار فرکانسهای نامعلوم را که شامل سینوسیهاست، در ورودی بهدست آورده و سپس حذف مینماید.
1؛-3 سامانه حذف تداخل موج پیوسته
در این سامانه محاسبه سیگنال خطا بر مبنای تخمینی از وزنهای فیلتر است که در هر گام به روز رسانی میشود. این به-روز رسانی براساس هر یک از الگوریتمهای تطبیقی قابل اجراست، اما با توجه به این که الگوریتم NLMS مناسبترین الگوریتم برای پیادهسازی عملی است[21] و پیچیدگی پایینی دارد در اینجا استفاده شده است.
شکل:1 سامانه تطبیقی حذف تداخل
انتخاب d - n - و x - n - مناسب، مهمترین قسمت اجرای این الگوریتم برای کاربردهای گوناگون است. در ادامه با توجه به مفاهیم الگوریتم تطبیقی که بر اساس حداقل کردن مربعات خطا ضرایب خود را بهروز رسانی مینماید، ورودیهای مناسب برای d - n - و - x - n انتخاب شده است. عملکرد الگوریتم تطبیقی برای تطبیق وزنهای فیلتر بهگونهای است که در خروجی فیلتر به حداقل برسد. از طرفی با توجه به دنباله پالس- های سیگنال لورن، عرض هر پالس لورن 250 میکروثانیه و فاصلهی بین دو پالس متوالی 1000 میکروثانیه است. پس اگر سیگنال لورن را S - n - در نظر بگیریم، میتوان گفت S - n - با S - n-k - به شرطی که k >k0 باشد، که 250< k0< 750 میکروثانیه است، ناهمبسته هستند.
با توجه به تحلیل فوق با انتخاب ورودیهای مناسب، خروجی - e - n فیلتر تطبیقی تنها حاوی سیگنال لورن خواهد بود و چون دنباله - I - n - Y - n متقارب به سمت صفر است و دقیقا صفر نیست، مقداری از CWI حذف نشده باقی خواهد ماند. مقدار این تداخل باقیمانده تابعی از SIR ورودی و اندازهگام فیلتر و همچنین تعداد ضرایب فیلتر است.
-4 تاثیر تداخل نرخ متقابل در سامانه لورن
در این بخش به تحلیل بهبود کارایی سامانه لورن در حذف تداخل نرخ متقابل با استفاده از یک فیلتر ترکیبی پرداخته شده است. در شکل 2 نحوه تداخل دو زنجیره با GRI متفاوت نشان داده شده است. در این شکل در جایی که پالسهای دو زنجیره از نظر زمانی بر هم منطبق میشوند، تداخل CRI بهوجود میآید. CRI سبب میشود یک تاخیر در دریافت سیگنال بهوجود آید و یک خطا در اندازهگیری اختلاف زمانی در حالت رهگیری گیرنده ایجاد شود.[22]
شکل:2 نمونهای از CRI بین دو زنجیره با GRIهای 9960 و 5930
